Проектирование ИТ-инфраструктуры с высокой нагрузкой в 2023 году

Разработка и поддержание большинства современных сервисов и приложений требует наличия надежной и масштабируемой инфраструктуры, которая бы позволяла обрабатывать большое количество одновременных запросов. Однако традиционные подходы к управлению ИТ-инфраструктурой зачастую уже не справляются с требованиями, которые предъявляют к ней высоконагруженные системы.

В этой статье мы разберем, какие задачи должна решать highload инфраструктура и какие существуют современные подходы к ее построению.

Какие проблемы должна решать highload инфраструктура?

Высоконагруженная системы обрабатывают большие объемы данных и тем самым генерируют ценность для бизнеса. Обратной стороной медали становится тот факт, что любые сбои или даунтайм сервиса приводят к огромным затратам для компании. Так, по данным Gartner, потери крупных онлайн-сервисов достигают в среднем 300 000 долларов в час в случае простоя.

Поэтому IT-инфраструктура должна прежде всего обеспечивать бесперебойную работу высоконагруженных систем и их устойчивость к пиковым нагрузкам. Как следствие, одно из основных требований к такой инфраструктуре состоит в возможности ее быстрого масштабирования и перераспределения нагрузки.

Ключевыми источниками проблем в высоконагруженных проектах являются большой объем данных, сложность и скорость изменений. Следовательно, при проектировании highload инфраструктуры важно учитывать следующие аспекты ее функциональности:

• Масштабируемость: IT-инфраструктура с высокой нагрузкой должна быть способна обрабатывать большое количество одновременных запросов без снижения производительности. Для этого необходима масштабируемая архитектура, которая может эффективно справляться с резким увеличением трафика и потребляемых ресурсов.
• Доступность: ИТ-инфраструктура с высокой нагрузкой должна оставаться доступной и быстро реагировать даже в случае неожиданных скачков трафика, а также автоматически восстанавливаться после сбоев.
• Латентность: highload инфраструктура должна быть способна отвечать на запросы пользователей с низкой задержкой даже в условиях высокого трафика. Этого можно достичь с помощью различных методов, таких как кэширование, использование более быстрых СХД и распределенные вычисления.

Современные подходы к созданию высоконагруженной инфраструктуры

При разработке highload проектов стоит учитывать, что не существует стандартных решений, которые подходили бы для любой высоконагруженной системы. Тем не менее, для обеспечения надежности системы можно руководствоваться следующими общими принципами:

1. Отделять те части системы, которые влияют на ее производительность, от частей, наиболее подверженных человеческим ошибкам.
2. Внедрить систему тестирования (модульное тестирование, комплексное тестирование системы или ручное тестирование).
3. Предусмотреть схему и инструменты для быстрого восстановления системы в случае сбоя, чтобы минимизировать последствия.
4. Внедрить систему метрик, мониторинга и протоколирования для диагностики ошибок и причин сбоев.

Рассмотрим несколько современных подходов к проектированию ИТ-инфраструктуры с высокой нагрузкой.

Облачные и периферийные вычисления (Cloud & Edge computing)

Облачные решения стали уже привычным элементом ИТ-инфраструктуры во многих компаниях, и их популярность будет только расти в 2023 году. Согласно прогнозам Gartner, более половины расходов на корпоративную инфраструктуру будут перераспределены с традиционных решений в пользу облачных.

Новый тренд — использование периферийных вычислений для повышения устойчивости и ускорения работы системы. Их особенность в том, что обработка данных производится не в ЦОДах или в облаке, а на периферийных устройствах и локальных серверах, то есть в непосредственной близости от того места, где собираются или производятся данные.

Это позволяет значительно уменьшить задержки сигнала в сети и снизить нагрузку на основные серверы. По прогнозам Gartner, к 2025 году около 75% всего корпоративного трафика будет производиться с помощью периферийных вычислений. Примеры популярных платформ для edge-вычислений — AWS Greengrass и Azure IoT Edge.

Контейнеризация (Containerization)

Контейнеризация продолжает оставаться популярным подходом к управлению высоконагруженной ИТ-инфраструктурой. Она предполагает «упаковку» приложения и всех его зависимостей в контейнер, который затем может быть легко развернут и запущен на любой инфраструктуре.

Такой подход позволяет эффективно масштабироваться и управлять ресурсами, а также повышает общую надежность системы. Вы можете запускать столько контейнеров, сколько требуется при текущей нагрузке и быстро наращивать их количество при необходимости. Еще одно из ключевых преимуществ контейнеризации — она позволяет изолировать различные приложения и сервисы, предотвращая конфликты и снижая риск общесистемных сбоев.

Наиболее популярные инструменты для контейнеризации — это Docker и Kubernetes. Docker позволяет разработчикам упаковать приложение и его зависимости в контейнер и легко разворачивать его в различных средах. Kubernetes это система оркестровки контейнеров с открытым исходным кодом, которая может автоматически управлять масштабированием, развертыванием и репликацией контейнеров, что делает ее отличным решением для высоконагруженной инфраструктуры.

Бессерверные вычисления (Serverless computing)

Это относительно новый подход к управлению highload инфраструктурой, который позволяет разработчикам создавать и запускать приложения без необходимости предоставления серверов. Вместо этого инфраструктура управляется облачным провайдером, а приложение запускается в ответ на определенные события или триггеры вместо того, чтобы работать в фоновом режиме. Это позволяет значительно сократить общие расходы, так как вы платите только за фактическое время использования серверных мощностей.

Бессерверные вычисления хорошо подходят для высоконагруженных, управляемых событиями операций и сервисов, таких как обработка изображений, потоковая передача данных и приложения IoT. При возрастании нагрузки провайдер обеспечивает автоматическое масштабирование и выделяет дополнительные ресурсы.

Среди популярных бессерверных платформ — AWS Lambda, Azure Functions и Google Cloud Functions. Они автоматически справляются с масштабированием, предоставлением и распределением ресурсов, а также предлагают модель ценообразования с оплатой по факту использования.

Распределенные вычисления (Distributed computing)

Этот подход нельзя назвать новым, но от этого он не теряет своей актуальности. Распределенные вычисления предполагают разбиение большой задачи на более мелкие, которые распределяются между несколькими машинами.

Распределенные вычисления часто используются для крупномасштабной обработки данных, машинного обучения и других задач, требующих большого количества ресурсов. При необходимости вы можете добавлять или убирать вычислительные устройства в сети, чтобы сбалансировать нагрузку.

Этот подход позволяет повысить производительность и масштабируемость системы, а также увеличить отказоустойчивость, так как сбой на одном из серверов с меньшей вероятностью приведет к невозможности выполнения всей задачи. Популярные современные платформы для распределенных вычислений включают Apache Hadoop и Apache Spark.

Выводы

Проектирование высоконагруженной ИТ-инфраструктуры может быть нетривиальной задачей, поэтому полезно иметь представление о современных подходах к управлению highload проектами. Такие технологии как контейнеризация, бессерверные вычисления, облачные платформы, периферийные и распределенные вычисления помогут выстроить эффективную и отказоустойчивую инфраструктуру. Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор зависит от конкретных требований и ограничений вашей highload системы.

Также стоит отметить, что эти подходы не являются взаимоисключающими и могут быть объединены для создания более надежной инфраструктуры. При правильном сочетании аппаратного и программного обеспечения организации могут создать высоконагруженную ИТ-инфраструктуру, способную справляться с пиковыми нагрузками и соответствовать постоянно растущим требованиям бизнеса.